地下室結構抗浮設計分析

文／蔡翊 長沙市規劃設計院有限責任公司 湖南長沙 410000

引言：

地下室建設不但能充分利用地下空間，緩解城市土地不足的壓力，還能最大限度地滿足設計與使用要求，提高高層建筑的抗傾覆能力。近年來，隨著城市更新的不斷推進，地下室數量快速增長，但是地下室整體上浮、地下室底板開裂、柱位偏移和結構變形等問題時有發生。本文主要從上浮問題出發，通過對地下室結構進行科學的抗浮設計保證其正常使用，發揮地下室結構應有的功能。

1、地下水對地下室結構的破壞

地下水指的是賦存于地面以下巖石空隙中的水，根據含水層性質可以將地下水分為三種，即孔隙水、裂隙水、巖溶水；而根據地下水的埋藏條件也可分為三種，即上層滯水、潛水、承壓水。在抗浮設計中，主要研究對象是潛水，它是產生地下室建筑上浮力的主要因素。在建筑施工完成后，地下水開始回流，在建筑物下方的地下水會對建筑產生浮力，當水的浮力大于建筑物的自重時，建筑地下室結構就會受到浮力荷載的作用，從而可能破壞建筑物。

近年來，由地下水上升引起的地下室結構上浮事件屢見不鮮，特別是針對超大、深基坑，處理不當將引起重大工程事故。例如：南昌某學校綜合樓人防地下室上浮事故；海口商場地下室上浮事故；湖北保健酒基地工程聯合車間地下室上浮事件等，造成很大財產損失及不良社會影響，故應對地下水對地下室結構的破壞給予足夠重視。地下水對地下室結構的破壞主要表現為以下幾種形式：

（1）整體抗浮失效：此種破壞形式主要是由于地下室結構承受的地下水浮力超過地下、地上建筑總重力，甚至導致建筑整體結構發生偏移的情況。此種情況常發生在強降雨后，地下水位超過地下室結構抗浮設防水位設計值，以至于出現整體抗浮失效的情況。此種情況下，建筑結構整體存在位移，但是結構各個部位互相位移較小。

（2）局部抗浮失效：此種破壞形式主要是由于地下室結構局部承受荷載能力不足，多出現在地下室結構施工階段或是上部結構施工前。

（3）整體局部抗浮失效：此種破壞形式同時存在整體抗浮失效、局部抗浮失效兩種情況，因抗浮失效導致地下室等建筑物上浮，強降雨時期甚至引發底板面裂縫的問題。

現階段隨著我國建筑行業的發展，地下室結構規模越來越大，地下開挖深度不斷增加，由此對抗浮設計提出了更高的要求，直接關系到地下室結構運行安全與使用性能的發揮，本文著重圍繞此展開詳細分析。

2、地下室常用抗浮方法

對于地下水位高于地下室底面的建筑結構，設計人員在設計地下室時，不僅需要考慮基坑穩定性、坑壁土壓力，還需要進行抗浮設計。地下室抗浮方法包括：正確選取抗浮設防水位、減小浮力、抵抗浮力，具體分析如下。

2.1 正確選取抗浮設防水位

結合工程實踐分析，大多數工程建設場地缺乏長期地下水位觀測資料的問題，勘察單位應根據周邊環境、水文地質條件、地下水變化參數提供正確的抗浮設計水位和防滲設計要求。

（1）對于巖土滲透性較好的場地和裂隙發育、連通性好的巖石地基，設計人員應根據地下室全使用壽命期間可能遇到的最高水位或長期水位觀測資料中的最高水位與設計年限來進行抗浮設計。

（2）當場地有多層、多類地下水，相對隔水層處于飽和狀態并有一定的水力聯系時，設計人員可按各層水的混合最高水位進行抗浮設計。

（3）對于地勢低洼的、在設計年限內有被洪水淹沒的建設場地，抗浮水位可取室外地坪標高。

（4）當場地存在巖溶水和上層滯水以及坑塘時，地下室抗浮設防水位應取一個水文年內坑塘的最高水位。

（5）若場地局部存在上層滯水，水量不大，又無江、湖、河等其他地表水體的分布，當下部持力層為非透水層（為相對隔水層）時，要考慮因肥槽夯填不實，局部地表水或降水滲入而充盈于外墻與基坑壁之間的填土孔隙的情況。若未采取有效的排泄措施，在施工或使用過程中，地表水或降雨滲入將會對地下室底板產生瞬時（或短期）浮力，破壞地下室底板結構。此類場地的地下室底板抗浮設計水頭應≥ 1.7m。

2.2 減小浮力方法

地下室結構抗浮設計中，減小浮力方法有多種，常用的主要是排水、泄水以及隔水。此類方法適用于水量較小、操作空間較大的區域，且需要進行長時間維護與觀察，不適用于臨江、臨海以及水量充沛區域。

2.3 抵抗浮力方法

地下室結構抵抗浮力方法主要由抗拔樁（錨桿）、結構抗浮和自重抗浮等，具體需根據抗浮水位、地基情況進行選擇，設計人員需要根據不同地下水類型，利用不同的建筑結構形式來設置樁錨或增加配重。

（1）增加配重。設計人員可增加底板壓重、加大底板外挑長度、增加覆土厚度等方法來增加荷重。為防止素混土開裂，設計人員可在配重層中添加直徑為4mm、雙向間距為300mm 的鋼筋網來彌補結構層因混凝土收縮引起的裂縫缺陷，從而增加抗浮能力。

（2）設置抗浮錨桿或抗浮樁。目前，常用的抗浮方法是增設抗浮錨桿以提升地下構筑物的抗拔力，其原理是在底板和土層之間設置拉桿或樁身，以增加與周圍土層的摩擦力來抵抗水的浮力，保證建筑物的使用安全。抗浮錨桿作用機理如下圖1所示，錨桿是由多種材料組成的一個混合體，各材料之間粘結性能，是保證錨桿砂漿、錨桿鋼筋、錨桿圍巖共同工作的前提。水浮力對底板產生向上的變形，當抗浮錨桿頂端受到由底板變形帶來的向上的拉力時，此拉力首先由錨桿筋體傳至錨桿砂漿上，緊接著傳至淺層基巖上，隨著拉力的逐漸增大，慢慢傳至深層基巖之中。由此可見，為保證在抗浮工況下錨桿能發揮良好的傳力性能，需要有下面四個基本條件予以保證：①錨桿砂漿層與其內部鋼筋粘結力大于作用在錨桿上的拉拔力；②砂漿層與圍巖之間的粘結力大于作用在錨桿上的拉拔力；③給錨桿提供錨固且需保持足夠嵌固能力的基巖，需保持完整性和穩定性；④錨桿鋼筋在結構底板內的錨固長度滿足規范要求，不出現底板沖切破壞或鋼筋在底板內被拔出。此外，我國不同的地區對應的地質情況和氣候條件不同。如在地下水很深、水浮力很小且常年降水量很小的地區，進行抗浮設計時需要的抗拔力很小，但若地下室底板下有厚度很大的不透水層，在降水累積作用下，地板底部與地面之間形成水頭差，會造成地板隆起破壞。故在不同地區或相同地區不同地質條件和不同氣候條件下，建立的抗浮設計標準不同，通過對工程實例的總結形成不同處理方式，可為類似工程提供參考。

圖1 抗浮錨桿作用機理

3、案例分析地下室結構抗浮設計要點

3.1 工程概況

本項目為某住宅小區地下室結構補強工程，小區內共計6 棟高層住宅、2 棟多層商業，地下室共二層（局部一層），負一層地下室層高為4.0m，負二層地下室層高為4.0m，總建筑面積為28100m。基礎采用旋挖成孔灌注樁，結構安全等級為二級，建筑抗震設防為標準設防類，場地設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組為第一組，場地類別為二類。

3.2 地下室上浮問題

此小區上浮區域地下室于2018年9月5日開始土方開挖及破樁頭，地下室后澆帶于2019年3月5日施工完成，但地下室頂板沒有及時按設計要求進行覆土。2019年6月施工單位發現6#樓北側地下室上浮導致與主樓交界處開裂以及地下室部分梁、墻體開裂、框架柱上部產生裂縫。

針對此小區地下室上浮情況，首先進行緊急排水泄壓處理，在地下室底板合適的位置用鉆機鑿孔來排出地下水。室內排水不能通過重力流正常排出，增設集水井通過排水泵排出，以降低水壓力使地下結構回歸原位，減小結構的上浮趨勢，避免結構的進一步破壞。在保證結構安全的基礎上進一步開展抗浮加固設計工作。

3.3 抗浮錨桿設計

由于地下室柱沉降超過20mm，視為樁抗拔完全失效，需要增設抗浮錨桿。13 軸右側區域地下室變形較嚴重，抗浮錨桿設計時該區域樁抗拔力按完全失效考慮。綜合本小區實際情況抗浮設計水位按17.00m 進行抗浮驗算。

（1）單位面積水浮力F=70.10kN；

（2）地下室頂板覆土后，結構自重計算（單位面積混凝土梁、柱自重為2.00kN）G=51.10kN；

（3）單位面積抗浮錨桿所受的抗拔力特征值為：70.1—51.1=19kN。

根據上述計算的錨桿抗拔力，在此小區地下室底板增設永久抗浮錨桿，抗浮錨桿大樣如圖2所示。巖石錨桿錨固體抗拔安全等級為I級，錨桿錨固體抗拔安全系數為2.2。錨桿錨入卵石層深度不得小于5.0m，且錨桿長度不小于16m，單根抗浮錨桿抗拔設計值為350kN。抗浮錨桿設置時必須待覆土及抗浮加固完成后方可停止施工降水，確保地下水位在底板以下0.5m。

圖2 抗浮錨桿大樣

3.4 結構加固設計

（1）本項目地下室底板增設現澆混凝土疊合層，增加底板壓重，提高底板的承載力、剛度和整體性，底板疊合層加固大樣如圖3所示。

圖3 底板疊合層加固

（2）由于原地下室上浮造成一些構件不同程度的損壞，對混凝土構件采取加大截面加固設計方法。鋼筋混凝土梁、柱裂縫寬度0.2 ～1.5mm 范圍內或裂縫貫穿底板位置的構件，設計采用裂縫封閉+灌漿法處理方法，如下圖4、5 分別是貼碳纖維布修補地下室頂板裂縫、地下室頂部截面修補裂縫示意圖。針對剪力墻和梁柱等構件中出現的裂縫寬度較大和其他損傷，經現場實測及計算分析，該部分構件混凝土強度均已無法滿足設計強度的要求，已超過構件承載能力，需對這些構件截面尺寸及時進行修復處理。

圖4 貼碳纖維布修補地下室頂板裂縫示意圖

圖5 地下室頂部截面修補裂縫示意圖

3.5 地下室結構抗浮效果

此小區地下室結構通過增設抗浮錨桿加固以及在地下室底板新增疊合層以增加結構自重共同抵消地下水浮力。底板下采用壓力注漿，以避免泄壓后無法恢復至原位形成空洞，同時有效提高了地基的承載能力。此小區完成抗浮加固和受損構件修復后，經過幾個豐水期的觀察，未發現地下室出現上浮、變形、裂縫及滲水等現象，加固效果良好，有較為顯著的工程成效，能夠滿足建筑物永久抗浮和安全使用的要求，取得了較好的經濟和社會效益。

結語：

綜上所述，伴隨我國城鎮化的快速發展，地下空間開發力度逐步加大，由此帶來的地下結構物抗浮問題也越來越多。為了有效提高地下室工程的建設水平與建設質量，必須不斷總結經驗，科學開展地下室結構抗浮設計工作，包括正確選取抗浮設防水位、采用多種設計抗浮措施（減小浮力、抵抗浮力），通過合理設計與布置優化，切實達到抗浮設計方案安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量的目標。